NI基单晶高温合金γ′相及γ/γ′相界面复合体电子结构和能量学研究

镍基单晶高温合金由于具有优异的高温力学性能、良好的抗氧化性以及耐腐蚀能力，因而是航天、航空工业领域中一类重要的高温结构材料，用于制造航空发动机涡轮叶片。镍基单晶高温合金微结构主要由基体γ相(fcc晶体结构的Ni基固溶体)和γ’析出相(L12有序结构的Ni3Al金属间化合物)两相组成。γ’相及γ/γ’两相的相界面对单晶高温合金的强度有着重要的作用。微量掺杂元素可以改变γ’相及γ/γ’两相的相界面的电子结构，对镍基单晶高温合金的力学性能以及化学性能有较大的影响。 本文在密度泛函理论(DFT)框架下，结合分子动力学方法，利用第一原理的FLAPW方法和DMol方法，研究了合金化元素对Ni基单晶高温合金γ’相及γ/γ’相界面的作用，给出了能量学信息及原子键合特征。本文包括以下三部分的工作：一、铂族元素在№基单晶高温合金γ’相Ni3Al中的择优占位及合金化作用。利用基于密度泛函理论的第一原理FLAPW方法，选择超单胞模型，研究了铂族元素№、Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt在№基单晶高温合金γ’相Ni3Al中的择优占位及合金化作用。研究结果表明：择优占位能计算结果表明，在γ’-Ni3Al中添加的PGMs有三种基本的择优占位：Mo择优占Al位，Os有很弱的择优占Ni位倾向，而其它的PGMs原子比如Ru，Rh，Pd，Ir，和Pt倾向于占Ni位，且它们择优占Ni位的倾向依次是：Ru＜Ir＜Rh＜Pt＜Pd。添加的七种PGMs原子X，使得γ’-Ni3Al的晶格常数增大的顺序为：Mo＜Rh＜Ru＜Ir＜Pd＜Os＜Pt。对于在第四、五代Ni基单晶高温合金中起着有益作用的Mo和Ru元素，进一步的电子结构分析发现№与Ru的合金化作用有着不同的电子机制。Mo替换Al后，与近邻基体原子Ni2有着强相互作用，而Ru替换№后，使得近邻原子Ni2自身间的相互作用以及Ni2与其近邻原子间的相互作用增强。 二、H，B和C三种元素对№基单晶高温合金γ/γ’相界面的作用。基于密度泛函理论框架下的FLAPW方法，利用超单胞模型，研究了H，B和C三种元素对Ni基单晶高温合金γ/γ’相界面的作用。结果表明：杂质形成能的结果表明三种杂质均倾向于占据γ/γ’相界面上富№的八面体间隙位置。电荷转移及电荷密度的结果揭示这三种元素对γ/γ’相界面电子结构的影响是局域的，只影响其最近邻原子。对于H杂质元素，H-s与近邻原子Ni(6)-d的杂化作用很弱，Ni(6)的DOS在掺杂H前后几乎没有什么变化。H总的作用是减弱γ/γ’相界面的强度。另一方面，对于B(或C)杂质元素，B-p(或C-p)与近邻原子Ni(5)，Ni(6)和Ni(7)的dDOS均有强杂化作用，使得这些近邻原子的dDOS向低能量方向大幅度移动且费米面处的Nf减小。同时杂质与基体近邻原子的键增强，所以B和C是增强γ/γ’相界面韧性的元素。 三、γ/γ’相界面构型的分子动力学模拟及Re，Ta，W对γ/γ’相界面上错配位错的合金化作用的第一原理研究。利用分子动力学方法模拟了γ/γ’相界面构型，且利用第一原理的DMol方法，研究了Re，Ta，W对B构型a/2＜1-10＞(001)错配位错及C构型的a/2＜110＞(001)错配位错的合金化作用。结果表明：利用分子动力学方法模拟镍基单晶高温合金γ/γ’(001)相界面上三种不同原子构型，发现界面上不同原子构型的能量学参量都依赖于界面原子堆垛特征，而几何结构则具共性，相应的界面特征为“成对”出现大小为a/2＜110＞和a/2＜1-10＞的错配位错。利用第一原理DMol方法，研究了难熔元素Ta和W在B构型a/2＜1-10＞(001)错配位错及在C构型的a/2＜110＞(001)错配位错中的合金化作用。Ta和W在两种不同位错芯结构的作用类似。杂质形成能的计算结果表明Ta和W的掺杂能够使错配位错芯更加稳定。此外，Ta和W两种杂质均从近邻Ni原子处得到电荷，在难熔元素杂质与近邻Ni原子之间有电荷集聚。杂质近邻的Nid轨道由于与杂质d轨道的杂化向低能级方向移动，并在对应难熔元素杂质d轨道主峰的位置处有一些变化，杂质d-Nid轨道的杂化增强了它们之间的成键及结合强度。利用第一原理DMol方法，还研究了难熔元素Re在B构型a/2＜1-10＞(001)错配位错及在C构型的a/2＜110＞(001)错配位错中的合金化作用。Re在这两种不同位错芯结构的作用类似。杂质形成能的结果表明Re原子更倾向于同时占据三个原子的位置，即具有成团偏聚行为。Re替换基体原子后，周围的Ni原子失去电荷，在Re杂质与周围Ni(或Re)原子间有电荷集聚。与单杂质体系相比较，三杂质体系中杂质周围电荷集聚得更多，相应Ni原子间的成键也更强。在三杂质体系中，除了Red-Nid的杂化作用外，还有很强的Red-Red的杂化。